安全仪表系统在仪长复线运用

陈少祥

摘 要： 仪长复线是新投入运行的管线，站控系统设计采用全新的设计方法，将系统的过程控制与安全防护分开，引入了安全仪表系统，具有不同以往系统的特点，为使大家对系统有所了解，本文对仪长复线安全仪表系统的架构及原理进行了论述，对涉及的主要功能做了介绍，并对系统的特点进行了分析，希望对系统的维护有所帮助。

关键词： 冗余;SIS系统;ESD;3选2

安全仪表系统是在20世纪80～90年代发展起来的，以其高可靠性、安全性和灵活性在油气管道领域内得到了广泛性应用，是保障油气管道安全的重要措施;仪长复线安全仪表系统是新投入运营的系统，了解系统的构成及原理，对维护系统的安全运行，保障输油生产的正常运行具有重要的意义。

1站控系统的构成

站控系统由基本过程控制系统（简称BPCS系统）和安全仪表系统（简称SIS系统）构成，BPCS系统主要负责过程控制，SIS系统提供安全保护控制，两套系统共同构成仪长复线输油管线的站控SCADA系统，同时SIS系统采集一些关键点数据，通过MSG指令传递给BPCS系统，协助BPCS系统的操作，下面以某中间站安全仪表系统为例介绍系统。

2SIS系统的架构

SIS系统是由检测单元、逻辑控制单元和执行单元组成，用来实现一个和几个安全仪表功能的仪表系统;为完成系统的安全防护功能，提高系统的可靠性，逻辑控制单元采用AB公司增强型冗余机架[1]，机架里包括电源模块、控制器模块、通信模块、冗余模块，远程I/O网络采用EtherNet/IP环网，采用I/O模块冗余;现场的检测单元和执行单元与I/O冗余模块相连;上位机的通信采用EtherNet/IP双网结构（A、B网）;由2路路由器与外界通信，系统的拓扑图如下：

2.1冗余机架的原理

冗余机架由2个完全相同的机架组成，配置的模块类型、机架尺寸、系列号、固件版本相同，插入的槽位相同，[2]控制器是高性能的1756-L72控制器，1756-EN2TR是一个双网口的EtherNet/IP模块，与之配对模块组成环网结构连接远程I/O模块，IP地址采用内部IP地址，配对的2个通信模块的IP地址配置相同，主机架的IP地址显示设置的地址，辅助机架的IP地址自动加1，切换时，主从机架的IP地址互换;1756-EN2T模块是用于与工作站通信的EtherNet/IP模块，每个机架有2个1756-EN2T模块，IP地址采用外部IP地址，2个模块的IP地址处于不同的网段，构成A、B网冗余，主从机架配对的模块的IP地址设置相同，切换时互换IP地址，原理与1756-EN2TR模块的配置原理相同;1756-RM2/A是增强型冗余模块，是双光口模块，内嵌光电收发器，配对的2个模块由2条光缆相连，1条是主光缆，1条是从光缆，主光缆故障时，从光缆接管工作，冗余模块负责冗余机架间通信和切换。一个机架为主机架，另一个为从机架，主控制器负责整个系统的工作，负责输入模块数据的采集，控制輸出模块的输出和程序的逻辑扫描，冗余系统的主控制器在程序的逻辑扫描结束后，将输出交叉加载到从机架的控制器，从而保证冗余控制器的同步，保证主控制器出现故障时从控制器顺利接管控制，实现系统无扰动的切换。

2.2AI模块冗余原理

由2个模拟量模块组成冗余模块对，共4个模块，分别采集了3个进站压力、3个入口汇管压力、3个出口汇管压力、3个出站压力、3个电液阀的液压系统压力、3个电液阀的阀位检测。

它的检测原理：首先检测2个模块及通道是否有故障;2个通道正常，最终值取平均值，1个通道正常，最终值取正常通道的值;计算配对模块通道的偏差值，偏差值小于2，最终值取2通道的平均值，大于2产生偏差报警;如果2个通道故障，上位机显示一个预定故障值。

2.3DI模块冗余原理

由2个数字量模块组成模块对，共有6个模块，分别采集4个ESD按钮信号、泄放罐的高高、低低液位报警、6个火焰探测器的高报警、高高报警、故障报警;3个电液阀的开位指示、关位指示、工作电压故障报警、油位超低报警、就地/远控状态。

检测原理：检测模块及通道是否正常;最终值取2通道值的“或”;如果2通道的值不一致，延时200ms，置位通道不一致报警。

2.4DO模块冗余原理

由2个数字量输出模块组成模块对，共有4个模块，分别是4路输油泵紧急停泵输出;3路进站电液阀开阀、关阀、紧急关阀输出;3路出站电液阀开阀、关阀、紧急关阀输出;2路压力越站电液阀开阀、关阀输出。

检测原理比较简单，如果有DO指令输出，2个通道同时输出，如果2通道的值不一致，延时200ms，置位通道不一致报警，同时检测模块通道是否正常。

3SIS系统的主要功能

3.1干线压力的紧急停泵保护

当输油干线的压力高于或低于紧急停泵的值，所有运行的输油泵全部停运。控制逻辑为：对输油干线压力采用“3选2”的控制方式[3]，以出站压力为例，如果出站压力保护投用，3个压力值正常，任意选择的2个压力变送器的值超过出站压力的停车报警值，就产生停车报警，运行的输油泵紧急停泵;如果一个压力变送器故障，另外2个压力变送器的值只要一个高于停车报警值，立即产生停车报警，运行的输油泵立即紧急停泵;如果2台压力变送器故障，剩下的压力变送器的值高于停车报警值，立即产生停车报警，运行的输油泵紧急停泵;如果3个压力变送器故障，自动摘除出站压力保护。

对出口汇管压力、入口汇管压力，原理与出站压力控制原理相同，只是入口汇管压力值取低于设定值。

3.2水击保护

触发水击的的条件是进站压力超高、进站电液阀门（也称ESD阀）关、出站电液阀门（也称ESD阀）关和ESD（急停）按钮触发。水击控制器是首站SIS系统，由首站SIS系统处理全线水击触发指令，本站SIS系统通过检测与首站SIS系统通信的心跳数据来判断两站间的通信状态，当通信故障时，本站水击源自动屏蔽，待通信恢复后自动恢复。

3.2.1ESD按钮触发

站场及站控室分布4个ESD按钮，任一按钮触发后，紧急停运本站所有运行的输油泵，本站SIS系统发出水击触发命令，首站SIS系统接收到指令后，经过一定的延时，同时触发全线水击超前保护，各站运行输油泵同时停运，判断全线各站已无运行输油泵后，关闭本站进出站ESD阀门。

3.2.2进站、出站ESD阀关阀触发

ESD阀门关至开度小于设定的开度，且一定时延后开度减小，本站SIS系统发出水击触发命令，首站SIS系统接收到指令后，经过一定的延时，发出首站、本站所有运行的输油泵同时停运指令。

3.2.3进站压力超高触发（进站压力采用“3选2”判断）

进站压力的“3选2”判断原理与出站压力“3选2”判断原理相同，进站压力持续一定时间超过设定压力值，本站SIS系统发出水击触发命令，首站SIS系统接收到指令后，经过一定的延时，发出首站、本站所有运行的输油泵同时停运指令。

3.3其它功能

主要有中控紧急停泵;中控及站控下各种急停保护投用与摘除;3个电液阀的开、关、停控制、进站和出站电液阀紧急关阀控制、可燃气体探测报警、火焰探测报警及泄放罐的高低液位传递给BPCS系统控制转油泵的启停等。

4SIS系统的特点

作为管道公司新出现以ControlLogix平台设计的SIS系统，具有不同于以往的SCADA系统特点。

4.1逻辑控制单元特点

（1）SIS系统与BPCS系统分离，减轻了系统的工作负荷[4]，SIS系统只负责安全防护，同时采用AB公司最新型的控制器模块，模块处理速度快，提高了系统对事故响应能力。

（2）采用增强型冗余系统，远程I/O网络与上位机网络均是以太网，以太网使用双绞线连接，组网灵活，查找故障方便，系统不需要规划;上位机通信实现A、B双网冗余，以往的系统中即使机架中有2个以太网模块，也不能真正实现双网冗余，只要一个模块故障，系统马上切换。

（3）根据不同SIL等级，[5]不同的安全功能回路进不同系统，既具有经济性又保证了安全性。

（4）将输入模块的数据预先缓存即数据映像，保证系统正常控制逻辑。由于控制器有两个CPU同时工作，分别是背板CPU和逻辑CPU，背板CPU负责外部数据交换工作，逻辑CPU负责用户程序的逻辑扫描和系统高层管理，背板CPU的比逻辑CPU有更高的优先级别，为程序逻辑正确的执行，使用缓存数据，如果程序在一个扫描周期内，同一个指令多次扫描，同一指令的参数的值可能不一致，有可能带来不可预测的结果。[6]

（5）输出模块预置安全状态或保持最后正确的状态，在系统故障时和系统初始化时防止意外事件发生。

（6）逻辑控制单元模块都是带诊断功能的模块，通过编程诊断模块状态，根据模块及通道状态决定程序执行。如通过诊断输入模块的状况，决定参数的保护是否投用或摘除。

（7）BPCS系统的维护不影响SIS系统的防护功能，SIS系统维护对BPCS系统有所影响，由于传递了部分参数给BPCS系统。

4.2检测单元特点

（1）干线压力仪表取消了压力开关控制，压力变送器采用“3选2”逻辑，[3]既保障了可靠性，又消除了因个别变送器故障带来的事故。

（2）4个ESD按钮分别配置在现场和站控室[7]，功能一样，在紧急情况下，通过手动按钮消除事故，4个ESD按钮与逻辑控制单元硬线连接。

（3）火焰探测、可燃气体探测、泄放罐高低液位等关键点报警在安全仪表系统中采集。

4.3执行单元特点

4.3.1泵机组

泵机组停泵信号与BPCS系统及SIS系统的DO模块硬线连接;BPCS系统的泵机组顺序停泵输出与SIS系统干线压力的紧急停泵保护输出单独设置，干線压力紧急停车具有优先级。

4.3.2进出站电液阀

（1）控制信号及各种反馈信号与逻辑控制单元采用硬线连接。

（2）储能式驱动，蓄能器中的液压能量满足无外部动力源情况下阀门开关3个行程[8]。

（3）开、关指令是保持性信号，指令释放阀门停止，保持阀位不变，开、关电磁阀是励磁回路。[8]

（4）实现远程和现场自动开、关、停阀及ESD关阀及现场ESD复位;现场配有手动打压泵，实现现场手动开、关、停阀动作。

结语

从以上对仪长复线安全仪表系统的介绍可知，仪长复线SIS系统的功能是完备的，系统既没有追求过高的安全等级，而保护过度，也没有出现保护不足情况，能满足仪长复线安全防护的需要，随着SCADA系统网络化及系统功能增加，将安全仪表系统独立出来是必然的趋势，掌握好安全仪表系统基本知识，是系统维护人员必备技能，希望本文对系统维护具有一定的参考价值。

参考文献

[1]ControlLogix增强型冗余系统：1756-UM535D-ZH-P-2012：21.

[2]钱晓龙.ControlLogix系统组态与编程-现代控制工程设计[M].北京：机械工业出版社，2013：248-249.

[3]中国石油天然气公司.输油气管道工程安全仪表设计规范：SY/T6966-2013[S].北京：石油工业出版社，2014：9;42-43.

[4]中国石油化工集团公司.石油化工安全仪表设计规范：GB/T50770-2013[S].北京：中国计划出版社，2013：17.

[5]邓李.ControlLogix系统实用手册[M].北京：机械工业出版社，2013：14-15.

[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.油气管道安全仪表系统的功能安全评估规范：GB/T322202-2015[S].北京：中国标准出版社，2016：17.